有机聚合物器件实现可见光与红外信号双模态检测的人工短时突触行为研究

本研究针对传统硅基技术在神经形态计算中的局限性，开发了一种基于有机半导体聚合物PBTTT-C14的双刺激响应突触器件。该器件通过紫外-可见光(UV-Vis)激发和红外热电势协同作用，在70 μV超低电压下实现兴奋性突触后电流(EPSC)、配对脉冲易化(PPF)等生物突触行为，并能转换为抑制性突触模式(IPSC)，为多光谱神经形态计算系统提供了新思路。

　　

在传统计算架构面临"冯·诺依曼瓶颈"的背景下，模拟人脑神经网络的神经形态计算成为突破方向。人脑拥有约10¹¹
神经元和10¹⁵
突触，其信息处理方式具有并行、低功耗等优势。然而，现有基于无机材料的突触器件存在制备复杂、能耗高等问题，而有机半导体(OSC)虽具有生物相容性好、成本低等优势，但通常仅能响应单一刺激。

印度理工学院孟买分校的研究团队创新性地开发出ITO/PBTTT-C14/Au双终端突触器件，首次实现光-热双模态刺激响应。该器件利用聚2,5-双(3-十四烷基噻吩-2-基)噻吩并[3,2-b]噻吩的光电特性与电极间温差效应的协同作用，在70 μV超低工作电压下模拟生物突触功能。研究成果发表于《Materials Today Communications》，为多光谱感知的类脑智能系统提供了新材料方案。

关键技术包括：1) 采用溶液法制备PBTTT-C14有机活性层；2) 利用宽光谱钨灯光源模拟多波段环境刺激；3) 通过Keithley源表测量突触后电流响应；4) 分析温度梯度对热电势的影响。

【结果与讨论】

1. 材料与器件制备：选择PBTTT-C14因其高载流子迁移率(>1 cm²
   /V·s)和双极性传输特性，通过旋涂法构建ITO/聚合物/Au三明治结构，器件厚度控制在200-300 nm。

2. 突触行为模拟：在405 nm光脉冲(50 ms)刺激下产生典型的兴奋性突触后电流(EPSC)，衰减时间约1.8秒，符合生物突触的短时可塑性(STP)。引入红外刺激后，EPSC幅度提升37%，证实光-热协同增强效应。

3. 动态特性调控：当正向偏压从0.1 V增至1 V时，器件响应从EPSC转变为抑制性突触后电流(IPSC)，这种突触权重可调性模拟了生物神经元的兴奋-抑制平衡机制。

4. 逻辑运算实现：通过组合光/热刺激成功模拟"AND"和"OR"逻辑门，突触强度变化率分别达82%和91%，证实其在神经形态计算中的应用潜力。

该研究开创性地将多物理场刺激引入有机突触器件，其重要意义在于：1) 突破传统单模态刺激限制，更真实模拟生物突触的环境响应特性；2) 70 μV工作电压比现有有机突触器件低2个数量级；3) 为开发具备多光谱感知能力的仿生视觉-温觉融合系统提供器件基础。研究者指出，未来可通过分子工程优化PBTTT-C14的激子解离效率，进一步提升器件响应速度与稳定性。